甘肅地區(qū)礦山勘查數(shù)據(jù)的三維建模構(gòu)建研究

任志翔

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020）

甘肅地區(qū)位處我國(guó)黃河的上游，占地面積超過(guò)40 萬(wàn)平方公里，區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此可為礦區(qū)成礦或礦產(chǎn)資源提供較為優(yōu)越的條件。根據(jù)我國(guó)對(duì)甘肅地質(zhì)的礦山勘查數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)出礦產(chǎn)資源種類型超過(guò)180 種，不僅含有金屬礦，同時(shí)也含有大量的亞礦種，此區(qū)域產(chǎn)礦占全國(guó)出礦的70%以上[1]。

為了提高礦產(chǎn)資源在區(qū)域的保有量，更加直觀的向外界展示區(qū)域礦產(chǎn)資源勘查現(xiàn)狀，提出一種將礦山勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模展示的方式。通過(guò)建立結(jié)構(gòu)清晰的三維模型，可降低地質(zhì)勘查相關(guān)人員的工作量，更加方便對(duì)區(qū)域地質(zhì)特征及找礦方向的探討。

并且，通過(guò)三維建模，可將抽象化的地質(zhì)結(jié)構(gòu)形象化的展示，使大眾更易于接受，也有助于不同領(lǐng)域決策者對(duì)區(qū)域勘查做出正確的判斷。

目前，鉆孔勘查是獲取礦山數(shù)據(jù)最直接的方式，本文也將以鉆孔獲取的礦山勘查數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，以甘肅地區(qū)為例，開展三維建模構(gòu)建方法的設(shè)計(jì)，為區(qū)域產(chǎn)礦提供更加便利的條件。

1 甘肅地區(qū)礦山勘查數(shù)據(jù)

甘肅地區(qū)產(chǎn)出的礦產(chǎn)資源一直位居我國(guó)首位，并已在地方經(jīng)濟(jì)的建設(shè)中起到導(dǎo)向性作用，成為了推進(jìn)地區(qū)發(fā)展的支出性產(chǎn)業(yè)。本章將根據(jù)近三年的甘肅地區(qū)礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)，分析區(qū)域礦產(chǎn)資源產(chǎn)出現(xiàn)狀[2]。如下表1 所示。

表1 甘肅地區(qū)礦產(chǎn)資源排名

盡管甘肅地區(qū)的礦產(chǎn)資源賦存量極高，但仍存在部分結(jié)構(gòu)性短缺的問(wèn)題，產(chǎn)生此種問(wèn)題的主要原因是工作人員在進(jìn)行地區(qū)礦產(chǎn)資源勘查時(shí)，無(wú)法掌握深層次的礦區(qū)結(jié)構(gòu)特征，因此本文提出一種礦山勘查數(shù)據(jù)的三維建模方法，為礦區(qū)勘查工作的實(shí)施提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 甘肅地區(qū)礦山勘查數(shù)據(jù)的三維建模構(gòu)建方法

2.1 礦山勘查原數(shù)據(jù)提取與處理

礦山勘查數(shù)據(jù)的獲取通常由專業(yè)工作人員在地殼淺層執(zhí)行，由于甘肅地區(qū)大部分礦床呈現(xiàn)層次狀分布，且不同地層之間存在空間上的交叉[3]。

因此，可根據(jù)地質(zhì)剖面圖，采用鉆探或打孔的方式獲取數(shù)據(jù)。其中鉆探勘查方式是獲取礦山數(shù)據(jù)最直接的方式，通過(guò)專業(yè)的儀器設(shè)備，對(duì)礦區(qū)資源的分布狀況進(jìn)行分析，直接輸出等高線位置。

在完成礦山勘查數(shù)據(jù)的獲取后，根據(jù)地層所屬不同年代、礦產(chǎn)資源成因、巖層特性等。將數(shù)據(jù)分為巖層分界點(diǎn)、土層分界點(diǎn)（此類數(shù)據(jù)可作為三維建模中的x 與y 坐標(biāo)）、高程數(shù)據(jù)、鉆孔深度數(shù)據(jù)等。按照地層由淺至深，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)與排序，對(duì)于缺失的數(shù)據(jù)，可根據(jù)甘肅地區(qū)礦產(chǎn)資源的形成規(guī)律分析。

考慮到礦層是由地質(zhì)邊界環(huán)繞形成，因此相關(guān)勘查所得數(shù)據(jù)應(yīng)均與邊界地質(zhì)特性具有一定聯(lián)系[4]。

為此，在處理鉆孔數(shù)據(jù)時(shí)，可采用由上到下的順序，按照地質(zhì)巖性編號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行重構(gòu)。例如，用“P”表示為“磷”；用“Fbp”表示為“含磷元素的板巖”；用“sy”表示為“石英巖石”等。

上述提出的原數(shù)據(jù)均應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)的Excel 格式編輯，包括礦區(qū)地質(zhì)信息、勘查沿線信息、鉆孔彎曲角度、一樣縫隙依據(jù)等。處理表數(shù)據(jù)時(shí)，可直接點(diǎn)擊功能欄中“數(shù)據(jù)選擇”按鍵，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)導(dǎo)入”功能鍵，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)入庫(kù)處理。

2.2 應(yīng)用導(dǎo)入數(shù)據(jù)建立三維模型

使用上述處理的原數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，在建模前應(yīng)先在arcgis 中添加甘肅地區(qū)礦床地質(zhì)剖面圖，并在地圖上繪制勘查線，結(jié)合高程數(shù)據(jù)添加在剖面圖中添加X(jué) 軸、Y 軸，對(duì)地質(zhì)勘察圖像進(jìn)行校正處理。

在地質(zhì)圖像編輯器的處理下，將完成校正的剖面二維圖導(dǎo)入編輯區(qū)域，并在編輯區(qū)下方設(shè)計(jì)矩形區(qū)，輸入造折線，完成地質(zhì)分割后刪除輔助線[5]。并根據(jù)圖中礦產(chǎn)資源的地理位置，在圖像上進(jìn)行屬性賦值。

打開Mapgis 建模工具，對(duì)上述圖像進(jìn)行三維渲染。渲染過(guò)程中，先使用工具欄中mine 3d 工具，創(chuàng)建n 個(gè)數(shù)據(jù)層，定義數(shù)據(jù)層為三維要素，其中n=1;2;3?！?”表示為“剖面信息”；“2”表示為“地質(zhì)勘查面信息”；“3”表示為“塊體信息”。

在完成建模三維要素的劃分后，使用TED 組件工具，導(dǎo)入已完成設(shè)計(jì)的多個(gè)二維剖面圖像，分別查詢圖像屬性，將對(duì)應(yīng)的地質(zhì)巖性區(qū)域修改為不同顏色。在此過(guò)程中，應(yīng)將具有相同資源屬性的巖石歸為一個(gè)塊體。倘若存在某一塊體區(qū)剖面扭曲現(xiàn)象，需將扭曲部分進(jìn)行分段重建，直到完成二維圖像中所有數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與建模。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以甘肅地區(qū)某礦山為例，為驗(yàn)證本文提出的三維建模構(gòu)建方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，將其與傳統(tǒng)建模構(gòu)建方法進(jìn)行比較。

在該礦山上隨機(jī)劃分一個(gè)100m×100m 范圍，采用符合甘肅地區(qū)的勘查手段，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行勘查，每完成對(duì)20m×20m 區(qū)域的勘查后，將其數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并分別利用本文三維建模構(gòu)建方法和傳統(tǒng)建模構(gòu)建方法建立兩種不同的模型結(jié)構(gòu)。

假設(shè)按照本文三維建模構(gòu)建方法建立的模型為實(shí)驗(yàn)組，則傳統(tǒng)構(gòu)建方法為對(duì)照組。比較實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在完成5 個(gè)分區(qū)的勘查數(shù)據(jù)模型構(gòu)建后，計(jì)算兩種模型的歸一化均方誤差。設(shè)置歸一化均方誤差數(shù)值在0～1 之間，通過(guò)計(jì)算得出的數(shù)值越接近1，則說(shuō)明模型構(gòu)建的精度越低；反之，同理。按照上述操作完成實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，并繪制成如表2 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表。

表2 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)組的歸一化均方誤差明顯小于對(duì)照組，因此根據(jù)上述歸一化均方誤差數(shù)值特點(diǎn)得出，本文設(shè)計(jì)的三維建模構(gòu)建方法與傳統(tǒng)構(gòu)建方法相比精度更高，構(gòu)建的礦山勘查數(shù)據(jù)三維模型更滿足礦山企業(yè)的高精度需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以甘肅地區(qū)為例，提出一種礦山勘查數(shù)據(jù)的三維建模構(gòu)建方法，通過(guò)提取與處理礦山勘查原數(shù)據(jù)，校正圖像等，完成三維建模。為了驗(yàn)證方法的有效性，將其與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)本文方法在實(shí)際應(yīng)用中，效果更為顯著。